光机热集成设计在空间相机上的应用

[摘 要]指出空间相机应进行光机热集成设计分析的必要性,介绍了光机热集成设计分析典型流程。结合空间相机的研制特点,建立了具有针对性的光机热集成设计分析流程,阐明了集成分析的内容及优化设计的对象及具体内容,总结了集成设计分析需进行的相关验证试验。

[关键词]空间相机 集成设计分析 热光学分析

1. 引言

空间相机是一种典型的需进行跨学科研制的综合系统,其研制涵盖了光、机、电、热等多学科内容。在研制过程中,各学科分别应用多种软件分析解决自身学科领域的问题。为了在工程中相互合作,使各学科分析软件能够互相进行数据传送,使一个学科分析处理的结果能够成为另一个学科计算程序的源数据,往往采用光机热集成分析的方法将若干独立的分析软件集成为一体[1,2]。

本文结合空间相机研制的特点,建立了具有针对性的光机热集成设计分析流程,总结了集成分析的主要内容及相关验证试验。

2. 空间相机集成设计分析

2.1集成设计分析流程

空间相机进行集成设计分析前,首先要确定各个学科的设计分析任务,然后根据空间相机的工作任务需求与各个工作阶段的工作环境,确立边界条件、分析工况、参数需求、输入输出文件需求等,最后根据集成分析的基本思想和特点,建立符合空间相机自身研制特点的集成设计分析流程。

2.2集成设计分析内容

空间相机集成设计分析工作主要包括结构分析、热分析、热光学分析、光学分析及相应优化设计[3-6]。

结构分析主要进行静力学分析和动力学响应分析两方面工作,静力学分析主要包括结构件应力、应变分析、变形分析及结构稳定性分析;动力学分析主要包括模态分析、频率响应分析、随机响应分析、瞬态时间历程响应分析。通过结构分析,掌握结构件的强度、刚度、稳定性,系统的固有频率和振型,以及相应的加速度、位移、动应变、应力、动刚度等结构动力学特性,作为优化设计的依据。

热分析首先根据卫星结构和飞行轨道参数进行空间外热流计算,然后结合卫星、相机的热控设计进行热边界条件的定义并进行在轨热平衡计算。求得结果要与热光学分析第一步骤——均匀温升分析形成的相机热控指标进行比较。此后,将各工况求得的温度场作为热载荷加载于相机的结构有限元模型,进行相机的热弹性分析,得到结构的位移场分布[17,18]。将得到各镜面的刚体位移和面形变化数据分别输入到所编制的数据转换接口程序中进行处理,使之符合光学分析的输入需求,建立光学系统分析模型并进行光学分析。此即热光学分析的第二步骤。

光学分析主要是对系统的调制传递函数(MTF)进行分析,在光学分析过程中要综合考虑各种因素对系统MTF的影响并进行优化设计,需要考虑装配、检测、结构变形、环境温度等方面因素。

2.3集成分析优化设计

集成分析工作过程中,优化设计的对象及内容主要有:

a)各反射镜及其支撑的轻量化:轻量化构型、壁厚选择、强度、刚度优化

b)柔性环节:柔性环节形式及刚度优化

c)主体支撑框架:支撑形式、强度、刚度优化

d)表面涂层:吸收、发射比优化

e)多层隔热材料:多层类型选择、层数优化

f)构件间隔热材料:材料选择、隔热形式及参数优化

g)导热装置:导热装置形式及参数优化

h)主动热控:加热区域、加热功率优化

多种对象参数优化后,最终进行光学分析,考察相机系统MTF指标,根据结果进行反馈优化设计直至MTF指标达到成像任务要求,即光学系统优化设计。

2.4相关验证试验

集成设计分析主要侧重于结构、热方面的验证试验,光学检测针对不同的相机设计有不同的检测内容和方法。针对空间相机的集成设计分析,需要进行的验证试验主要有:

a)力学环境试验:包括应力、应变、加速度、模态的测试,正弦扫描振动试验,随机振动试验,用于试验验证结构分析结果。

b)热试验:包括热平衡试验、热真空试验、热光学试验[19,20],用于验证热分析结果和热设计的有效性。

c)光学检测:主要进行光学系统MTF的测试,用于验证空间环境对光学性能影响的分析结果。

3. 结束语

1) 对于空间相机这类典型的光、机、电、热综合系统,采用集成设计分析方法是提高系统设计科学性、高效性,缩短研制周期的有效手段。对于具体研制对象,应建立具针对性的集成设计分析流程。

2) 集成分析中结构、热分析用相同模型时,通过通用接口转换数据时,应注意网格划分、单元类型及属性定义问题;光学分析时应注意先分离再综合WFE与LOS对系统光学性能的影响。

3) 集成设计分析需要相应试验进行验证。

参考文献:

[1] 马文坡等. 空间相机设计与试验[M]. 宇航出版社, 2003

[2] Doyle K B,Genberg V L,Michels G J.Integrated optomechanical analysis[M].Washington:Publication of SPIE,2002

[3] 单宝忠. 空间相机光机系统光机热集成分析及优化设计[D]. 中国科学院研究生院博士学位论文. 1999

[4] 单宝忠,陈恩涛,卢锷,等.空间光仪光机热集成分析方法[J].光学精密工程,2001,9(4)

[5] 杨怿,陈时锦,张伟. 空间光学遥感器光机热集成分析技术综述[J].光学技术,2005,31(6)

[6] 傅丹鹰, 殷纯永, 乌崇德. 空间遥感器的热/结构/光学分析研究[J]. 宇航学报, 2001,22 (3)

作者简介:

薛军(1977—),男,吉林省梅河口人,中国人民解放军装甲兵技术学院讲师,硕士,主要从事机械CAD/CAE方面的研究。

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